Основи комп’ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Основи комп'ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва

Пасічник Віталій Анатолійович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” (НТУУ „КПІ”) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор

Петраков Юрій Володимирович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інституту”,

завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Зенкін Анатолій Семенович

Київський національний університет технології та дизайну, завідувач кафедри метрології, стандартизації та сертифікації

доктор технічних наук, професор

Михайлов Олександр Миколайович

Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри технології машинобудування

доктор технічних наук, професор

Пилипець Михайло Ількович

Тернопільський державний технічний університет

ім. Івана Пулюя, завідувач кафедри комп'ютерних технологій в машинобудуванні

Захист відбудеться „09” червня 2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою:

03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою:

03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий „25” квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Майборода В. С.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення продуктивності технологічного підготовлення виробництва в цілому та його важливого елементу - складання, є однією з найактуальніших проблем сучасного виробництва.

Високі загальні витрати праці на операції складання, коливаються від 20% у фармацевтичній промисловості до 60% у виробництві телекомунікаційного устаткування й суттєве відставання темпів скорочення витрат на операції складання у порівнянні з операціями механічного оброблення можна пояснити двома основними причинами.

Перша причина криється в домінуванні при складанні допоміжного часу над основним. Таким чином витрати часу на допоміжні переходи - транспортування, орієнтування, базування и закріплення деталей перед безпосереднім складанням є суттєвими, в той час коли сам процес реалізації з`єднання часто виконується дуже швидко. Саме тому підвищення продуктивності операцій складання можливе або за рахунок застосування великої кількості високопродуктивного допоміжного обладнання, що призведе до зменшення допоміжного часу, в тому числі і за рахунок його суміщення з основним, проте збільшить капіталовкладення та інші витрати, або за рахунок обґрунтованого зменшення кількості деталей.

Другою причиною, на наш погляд, є недостатній розвиток систем автоматизації технологічного підготовлення виробництва (рис.1).

Наразі ми маємо розвинені програмні засоби для проектування і конструювання (CAD/CAE) самого виробу, а також систем для керування технологічним обладнанням і виробничими процесами (CAM/CAPP).

В той же час рівень розвитку систем, які б дозволяли в автоматичному режимі реалізовувати технологічне підготовлення виробництва (CAPE - Computer Aided Production Engineering), є досить низьким. Так сьогодні не існує системи, яка б дозволила по тривимірній моделі або кресленню складального виробу (СВ) автоматично синтезувати якнайкращу технологію складання. Аналіз сучасних підходів і методів вирішення завдань автоматизованого проектування технологій складання вказує на наявність моделей і алгоритмів вирішення лише окремих завдань технологічного підготовлення і реалізації складального виробництва і відсутність методології вирішення всього комплексу завдань. Більше того, значна частина розроблених алгоритмів орієнтована на активне втручання людини і не враховує специфіку комп`ютерно-інтегрованого виробництва. Тому особливо актуальним на сучасному рівні розвитку виробництва постає розробка концепції технологічного підготовлення комп`ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва і вирішення ряду задач з реалізації такої концепції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до плану науково-дослідних робіт Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” (НТУУ „КПІ”): 1990-1992 р.р. д/б № 2201 - «Розробка автоматизованої системи технологічного підготовлення роботизованого складання виробів машино- і приладобудування» (здобувачу належать розділи 1.3, 5.4, 5.5); 1993-1994 р.р. д/б № 2511 - «Розробка технологій, апаратних і програмних засобів автоматизованого складання виробів зі складно профільним криволінійними стрижнем й напруженим несучим каркасом» (здобувачу належать розділи 1.2, 3.1, 3.2, 4.2); 2000-2002 р.р. д/б № 2448 - «Розробка комп'ютерної технології автоматизації обробки різанням тривимірних поверхонь деталей машин» (№ державної реєстрації 0100U000732) (здобувачу належать розділи 1.3, 3.1-3.3, дод. Б); 2006-2008 р.р. д/б № 2915 - «Розробка технологічних основ комп'ютерно-інтегрованого проектування і управління процесами оброблення і складання в машинобудуванні» (№ державної реєстрації 0106U002734) (здобувачу належать розділи 1.1-1.6, 3.2-3.8, дод. В, Г), які виконувались на кафедрі технології машинобудування НТУУ „КПІ” відповідно до тематичного плану держбюджетних науково-дослідних робіт НТУУ „КПІ”, який затверджено департаментом координації наукових досліджень вищих навчальних закладів та зведеного планування Міносвіти та науки України в 2000 році за пріоритетним напрямом „Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” по науково-експертній раді за фаховим напрямом „Машинобудування”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності механоскладального виробництва на базі створення його комп`ютерно-інтегрованої форми на основі нових принципів математичного опису складального виробу і методів його аналізу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі: інтегрований механоскладальний комп'ютерний

Провести аналіз сучасного стану і перспектив розвитку механоскладального виробництва в частині його інтегрування з інформаційними технологіями.

Реалізувати концепцію технологічного підготовлення комп'ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва, на основі нових принципів математичного опису складального виробу.

Розробити принципи формування математичної моделі конструкції СВ, яка враховуватиме його конструктивно-технологічні особливості та буде придатною для інтеграції із системами тривимірного проектування та системами проектування технології складання.

Розробити принципи урахування і математичного опису специфіки конструктивного виконання елементів деталей СВ, які визначають проектування технології складання.

Розробити ефективні процедури аналізу СВ й синтезу множини послідовностей складання та вибору ТП складання з урахуванням технологічної доцільності.

Визначити можливості застосування нових принципів математичного опису складального виробу для вирішення задач пристосованості виробів для складання, часткового розкладання та синтезу структури розмірних ланцюгів та розробити нові методи вирішення таких задач.

Розробити і впровадити нові методики, алгоритмічне й програмне забезпечення, які реалізують концепцію технологічного підготовлення комп'ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва.

Об'єкт дослідження - механоскладальне виробництво.

Предмет дослідження - технологічне підготовлення комп`ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва.

Методи дослідження - основні положення технології машинобудування, теорія графів, математична логіка, числення предикатів, елементи комбінаторики, комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше реалізовано нову концепцію технологічного підготовлення комп`ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва на основі нових принципів математичного опису складального виробу і методів його аналізу, що забезпечує єдине математичному представлення конструкції складального виробу, технології його виготовлення та організації гнучкого механоскладального виробництва. Для цього вперше:

Розроблені нові принципи математичного опису складального виробу, які встановлюють зв`язок між сукупністю функцій обмежень переміщення деталей в просторі, фізичними принципами функціонування й технологічними принципами реалізації з`єднань, а також нова класифікація цих функцій, що створює основу для інтеграції етапів проектування складального виробу, технологічного підготовлення комп`ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва та організації такого виробництва.

Новий математичний опис складального виробу через геометричні відношення обмежень рухливості між його елементами множиною взаємопов`язаних логічних значень їх наявності або відсутності й скалярних значень відстані до обмеження вперше дозволив вирішувати логічні задачі аналізу складального виробу, синтезу множини послідовностей складання, розмірного моделювання.

Визначено зміст, структуру та формалізоване представлення даних про складальний виріб, які необхідні для формування його математичної моделі та можливість їх інтеграції з сучасними системами тривимірного моделювання. Розроблені нові методи ітераційних «віртуальних» переміщень і побудови допоміжних елементів вперше дозволили практично реалізувати таку інтеграцію.

Враховано специфіку конструктивної реалізації елементів деталей та їх вплив на технологію складання. Систематизовано опис геометричної, конструктивної та технологічної особливостей з`єднань, що забезпечують цілісність складального виробу. Таке урахування дозволяє автоматично ідентифікувати тип з`єднання в математичні моделі складального виробу.

Дістав подальший розвиток метод зворотного синтезу, який дозволяє ефективно вирішувати задачі синтезу множини технологічно-доцільних порядків послідовностей складання.

Вперше реалізована можливість застосування математичної моделі складального виробу у вигляді відношень обмежень рухливості для виявлення кінематичних пар між деталями, ланцюгів руху та аналізу складального виробу з точки зору його пристосованості до складання.

Розроблено метод автоматичного визначення часткового розкладання складального виробу з мінімальними витратами на видалення деталей, що дозволяє використовувати його для задач ремонту і технічного обслуговування.

Вперше застосовано математичну модель складального виробу у вигляді відношень обмежень рухливості для автоматизованого синтезу структури лінійних і просторових розмірних ланцюгів.

Практичне значення отриманих результатів:

Створено методику автоматизованого формування математичної моделі складального виробу, її аналізу і синтезу послідовності складання. Розроблено алгоритмічне і програмне забезпечення для реалізації такої методики як модуля, що підключається до сучасної системи тривимірного моделювання. Додатковою можливістю є контроль коректності складального виробу.

Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє шляхом аналізу 3D моделі складального виробу в автоматичному режимі безпомилково виявляти конструктивно-технологічні властивості складального виробу і формувати цю інформацію у вигляді, придатному для автоматизованого введення до систем автоматизованого проектування (САПР) технологічних процесів складання (ТПС).

Розроблена методика моделювання технології складання в умовах гнучкого виробництва. Розроблене алгоритмічне і програмне забезпечення для реалізації такої методики дає можливість вирішення в автоматизованому режимі задач вибору кращих варіантів складання з урахуванням завантаження технологічного обладнання.

Створено на рівні винаходів оригінальні конструкції пристроїв для маніпулювання деталями при складанні, які захищені авторськими свідоцтвами та патентами.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на ВАТ «УХЛ-Маш» (м. Київ) при інтегрованому проектуванні та технологічному підготовленні виробництва і складання металевих меблів. Результати роботи використовуються у навчальному процесі кафедри технології машинобудування Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” та Технологічного ліцею Дніпровського р-ну м. Києва.

Особистий внесок здобувача. Здобувач особисто розробив: наукові основи формування математичної моделі складального виробу як сукупності геометричних відношень обмежень рухливості, фізичних принципів функціонування і технологічних принципів реалізації з`єднань у складальних виробах; математичні моделі відношень обмежень рухливості для всіх типів з`єднань, що забезпечують цілісність; метод зворотного синтезу визначення технологічно-доцільної послідовності складання виробу; основні алгоритми аналізу і синтезу і прикладне програмне забезпечення; провів теоретичні і експериментальні дослідження. В опублікованих роботах автору належать основні ідеї проведених досліджень і наукове обґрунтування основних теоретичних положень. Постановка задач досліджень, формулювання основних положень роботи, опрацювання структури та змісту роботи виконані разом з науковим консультантом.

Апробація роботи. Основні положення та результати досліджень, які викладені в дисертації, були представлені та обговорені на 18 наукових конференціях, зокрема, на міжнародних науково-технічних конференціях „Прогресивна техніка і технологія” (м. Київ - Севастополь, 1998, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 р.р.), „Інформаційно-комп`ютерні технології” (м. Житомир, 2002, 2004, 2006, 2008 р.р.), «Машиностроение и техносфера XXI века» (м. Донецьк - Севастополь, 2008), „Техника и Технология Сборки Машин” (м. Жешув, Польща, 2008); міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні наукові дослідження” (м. Дніпропетровськ, 2006); міжнародній конференції молодих науковців «Інформатика та механіка» (м. Кам`янець-Подільський, 2008); всеукраїнських науково-практичних конференціях „Комп'ютерна підтримка навчальних дисциплін у середній та вищій школі” (м. Луганськ, 2003), «Аспекти розвитку сучасних технологій та обладнання» (м. Хмельницький, 2008); всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції „Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво” (м. Одеса, 2007).

В повному обсязі дисертація доповідалась на розширеному семінарі кафедри технології машинобудування НТУУ „КПІ”.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 44 наукових праць, з них 23 статті в спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 8 тез доповідей на науково-технічних конференціях і семінарах, 7 авторських свідоцтв та патентів на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, 5 додатків на 77 стор., списку використаних джерел із 480 найменувань на 42 стор. Основний текст дисертації викладено на 278 стор., повний обсяг становить 412 стор., включаючи 155 рисунків та 11 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі представлена актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, наголошено на науковій новизні і практичному значення роботи, виділено особистий внесок.

В першому розділі проаналізовано історію, стан і перспективи розвитку механоскладального виробництва у контексті його інтеграції із сучасними інформаційними технологіями проектування, виявлені й систематизовані математичні моделі й методи опису СВ, проектування технології та реалізації виробництва.

Аналіз в історичному аспекті зміни взаємодії об`єктивно необхідних елементів виробництва - сировини і енергії із суб`єктивно необхідними елементами - ідеєю, конструкцією, технологією, управлінням показав, що кожна зміна формації виробництва супроводжувалась принциповою зміною відношень між елементами виробництва, а сучасний етап характеризується передачею проектної функції від людини до сучасних інформаційних технологій. Новою парадигмою є перехід від людиноцентричного виробництва, при якому весь процес організовувався в вигляді, зрозумілому людині, до комп`ютероцентричного (комп`ютерно-інтегрованого) виробництва, коли всі етапи життєвого циклу виробу повинні інтегруватись за допомогою комп`ютерної техніки і технологій.

Реалізація перспективної моделі комп'ютерно-інтегрованого виробництва для умов гнучкого механоскладального виробництва передбачає розробку взаємопов'язаних математичних моделей: об'єкта складання, процесу проектування технології та виробництва.

Початок розробки наукових основ складального виробництва припав на 30-і роки 20-го сторіччя. В ті часи вирішувались, в першу чергу, задачі забезпечення точності складання, взаємозамінності деталей, забезпечення якості конкретних конструктивних рішень. До 60-х років в Радянському Союзі з`являються ґрунтовні наукові праці, авторами яких були Б.С. Балакшин, Г.А. Бобровніков, В.М. Кован, В.С. Корсаков, Л.Н. Кошкін, А.М. Малов, М.П. Новиков, А.Н. Рабинович, Г.Е. Тауріт. В 60-ті-80-ті роки ціла плеяда видатних вітчизняних вчених суттєво розвинула наукові основи складальних процесів у частині автоматизації процесів складання, що знайшло своє відображення в роботах Б.М. Арпентьєва, П.І. Буловського, Л.І. Волчкевича, А.П. Гавриша, А.А. Гусєва, В.М. Давигори, О.О. Гусєва, В.К. Замятіна, А.С. Зенкіна, М.І. Камишного, І.М. Колесова, І.О. Клусова, М.С. Лебедовського, М.В. Медвідя, К.Я. Муценека, Ю.К. Новосьолова, Є.В. Пашкова, В.О. Повідайло, В.В. Прейса, Л.А. Рабиновича, В.А. Шабайковича, Г.А. Шаумяна, А.М. Шерешевського, В.О. Яхимовича.

Починаючи з 80-х років акценти зміщуються в бік автоматизованого проектування процесів складання, забезпечення оптимальності проектних рішень та управління де основу заклали В.В. Павлов, Б.Є. Челіщев, Н.М. Капустін, П.І. Буловський, М.С. Лебедовський. Суттєвий внесок в розвиток автоматизованого проектування технологічних процесів складання зробили В.М. Давигора, І.П. Гамаюн, А. Гонсалес-Сабатер, М.В. Захаров, В.А. Кирилович, Є.В. Коноплянченко, В.М. Кореньков, С.В. Лапковський, О.М. Михайлов, А.В. Мухін, В.Г. Осетров. А.В. Пастуховський, А.П. Сімаков, М.В. Тарасова, А.Г. Холодкова, Я.І. Чибіряк, Л.С. Ямпольський, І.С. Ямшанов, А.Г. Ярмош.

Найбільш відомими роботами закордонних вчених Barnes C.J., Boothroyd G., Bourjault A., Chakrabarty S., Chen C.L.P., De Fazio T.L., Delchambre A., Dini G., Fujimoto H., Gupta S.K., Halperin D., Henrioud J-M, Homem de Mello L.S., Huang K-I, Hsu D., Kavraki L., Kroll E., Laperriиre L., Lee S., Lin A.C., Pandey P.C., Rajan V., Romney B., Sanderson A.C., Sinha R. Thomas J.P., Whitney D., Wilson R.H., Wolter J.

Розвиток САПР протягом останніх 30-ти років окреслив послідовність вирішення задач автоматизованого проектування ТПС: введення даних - синтез варіантів - аналіз - прийняття рішення.

Аналіз сучасного стану вирішення задач автоматизації технологічного підготовлення механоскладального виробництва і оцінка перспектив, показала, що сьогодні ще не вироблена цілісна система поглядів на те, яким чином слід формувати математичні моделі СВ, якою повинна бути степінь інтегрування в межах життєвого циклу виробу, якими методами вирішувати задачі пошуку найкращих проектних рішень. Комплексне порівняння математичних методів і можливостей обчислювальної техніки показало, що на сучасному етапі найкращі результати може забезпечити поєднання моделі СВ в вигляді бінарних відношень обмежень рухливості (БВОР) з методом зворотного синтезу.

У другому розділі представлена нова концепція комп`ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва, яка передбачає реалізацію підтримки життєвого циклу СВ на основі нового математичного опису СВ множиною елементів (деталей, складальних одиниць, вузлів), взаємодія кожної пари яких визначається значеннями функцій:

FG: RЧT>	- деталь ai обмежує можливе переміщення деталі aj за траєкторією tT на відстані (тут під t слід розуміти довільну криву, як найпростіший і найчастіший випадок - поступальне переміщення вздовж координатного напрямку або поворот навколо нього);
FP: RЧH>	- з'єднання ai та aj належить певному типу з'єднань Н з відомою характеристикою ;
FE: RЧO>	- з'єднання ai та aj може бути утворене на обладнанні оО з фізичними (технологічними) принципами функціонування .

Функція FG встановлює відповідність між множинами деталей та траєкторій переміщень. В загальному випадку це n-арне відношення, оскільки траєкторій може бути велика кількість. Зазвичай, множина T містить до 6 елементів, яким відповідатиме 6 матриць переміщень та поворотів: Mx, My,...,Rz, причому повороти для процесу складання є вторинними. Для загального аналізу достатньо мати значення функції FG як логічне значення наявності або відсутності тієї чи іншої властивості. Для більш детального аналізу, зокрема для розмірного аналізу, під значенням слід розуміти розмірну інформацію.

Зміст функції FP повинен відображати, в першу чергу, фізичний принцип функціонування з`єднання і, в другу чергу, підпорядковане конструктивне виконання з`єднання. Така постановка пояснюється тим, що фізичний принцип функціонування з`єднання, як правило, є незмінним, в той час коли конструктивна реалізація з`єднання в процесі конструювання і аналізу конструкції СВ на технологічність може зазнавати суттєвих змін.

Зміст функції FE повинен містити, в першу чергу, фізичний або технологічний принцип або набір принципів реалізації з`єднання і, в другу чергу, підпорядковане йому технологічне обладнання, яке такий принцип реалізує.

Процес П проектування технології можна представити як реалізацію послідовності підпроцесів Пі, на кожному з яких вирішується ряд задач:

Згідно даного твердження, кожен підпроцес Пі представляє собою і-й рівень проектування, на якому виконуються процедури синтезу проектних рішень. Результатом виконання П1... Пk буде множина G усіх допустимих рішень. Дана множина містить лише частину R  G домінуючих варіантів, а тому для уникнення синтезу R ? G заздалегідь неперспективних варіантів на кожному рівні проектування вводяться процедури аналізу та оцінки проектних рішень. Процедури виконуються над об'єктом моделювання Q на основі множини правил Mj, а - на основі початкових даних D та набору обмежень Wt.

Відповідно до сказаного вище, можна виділити наступні підпроцеси автоматизованого проектування ТПС (рис. 2).

Модель гнучкого комп`ютерно-інтегрованого механоскладального виробництва повинна представляти собою сукупність множин:

- типових переходів по установці елементів;

- обладнання для виконання переходів;

- оперативний час типового переходу.

Для оцінки перспектив запропонованого підходу слід оцінити можливість інтеграції моделі СВ, описану через сукупність функцій геометричних БВОР (FG), фізичних принципів функціонування з`єднання (FP), технологічних принципів його реалізації (FT), з іншими математичними моделями різних етапів життєвого циклу виробу і, в першу чергу, з етапом проектування, слід порівняти з описом СВ через теорію механізмів і машин (ТММ) або з представленням СВ в одній з сучасних CAD систем.

Спроба реалізувати перехід від математичного опису СВ через БВОР до моделі механізму в термінах ТММ показала однозначність такого переходу і можливість виявляти кінематичні пари між деталями. В той же час зворотний перехід від ТММ до БВОР автоматично реалізувати неможливо через ідеалізацію об`єктів, прийняту в ТММ та відсутність урахування конструктивного виконання.

Оцінка перспектив інтеграції опису СВ через БВОР з CAD виявила можливість отримання значної частини, але не всієї, інформації. До «недоліків» CAD систем слід віднести відсутність повноцінного представлення відхилень розмірів, шорсткості поверхні, допусків на взаємне розташування поверхонь на тривимірній моделі, а перенесення цих властивостей виробу у креслення. Сучасні CAD-системи, які підтримують тривимірне моделювання, наприклад Solid Edge чи SolidWorks, мають в своїй основі три взаємопов`язані середовища, які призначені для моделювання деталей, складань та для розробки креслень. Можлива наступна реалізація інформаційної інтеграції модулю САПР ТПС із сучасною системою тривимірного моделювання

Опис математичної моделі СВ множиною елементів, між кожною парою яких формуються відношення, що можуть бути описані значеннями функцій (FG, FP, FE), дозволяє повністю інтегрувати таку модель в процес проектування технології складання, а самі значення функцій значною мірою можуть бути автоматично отримані із середовища тривимірного моделювання СВ, що забезпечує високий рівень інтеграції різних етапів інформаційної підтримки ЖЦВ.

У третьому розділі сформульовані основні принципи формування математичної моделі СВ як множини А елементів об`єкту із набором властивостей - F (А), пов`язаних відношеннями R між елементами і властивостями.

Геометричні властивості FG (A)  F (А) характеризують форму, взаємне розташування об'єктів у просторі та інші геометричні властивості конструкції. Для початкового аналізу СВ достатньо мати значення функції FG логічних значень наявності або відсутності тієї або іншої властивості.

Функція FG має відображати такі Відношення Обмеження Рухливості (ВОР):

Наявність/відсутність обмеження в напрямку t - Бінарні ВОР (БВОР);

Значення відстані до обмеження в напрямку t - Розмірні ВОР (РВОР).

РВОР характеризує абсолютні значення можливих переміщень деталей у СВ без їхнього фізичного руйнування. БВОР характеризують відносне розташування деталей у СВ і є відношеннями порядку, РВОР і БВОР можуть бути визначені: безпосередньою вказівкою пар деталей, для яких виконується відношення RG, формуванням матриць або графів таких відношень. Для аналізу геометрії деталей СВ достатньо мати значення функції FG як числове значення номінальної відстані можливого переміщення деталі ai відносно деталі aj в напрямку t (для РВОР) або логічне значення наявності або відсутності можливості переміщення (для БВОР). Модель РВОР є загальною по відношенню до БВОР. Зв`язок між моделями визначається співвідношеннями - табл. 1.

Опис ВОР вказівкою пар деталей придатний для початкового аналізу і може бути використаний для подальшого перетворення у матриці або графи. Опис матрицями є найбільш зручним для комп`ютерного опрацювання, а опис графами - зручний для аналізу людиною.

Таблиця 1. Умови визначення виду обмежень рухливості

Умова	Вид обмеження між деталями аi і aj
Лінійні розміри	Кутові розміри
di,j > Дmax*	di,j > 360°	Відсутність обмеження
IT14/2 < di,j < Дmax	бT14/2 < di,j < 360°	Віддалене обмеження
di,j < IT14/2	di,j < бТ14/2	Контакт між деталями

*Дmax = max (L,B,H) - максимальний габарит СВ, де L,B,H - габаритні розміри СВ

ВОР RG  A  A для двох деталей можуть бути визначені за допомогою комплекту матриць M (RG) розміром 2  2 (в загальному випадку - N  N) для додатних M (RG,+) і від`ємних M (RG,-) напрямків поступальних переміщень MM (RG) у глобальній системі координат XYZ і поворотів MR (RG), відносно локальної системи координат X'Y'Z', яка зв`язана з віссю симетрії відповідних поверхонь спряження.

В матрицях ВОР i-ий рядок відповідає деталі ai, а j-ий стовпчик - деталі aj. Наявність на перетині i-ого рядка і j-ого стовпця значення, що є меншим за 14-й квалітет допуску на лінійні або кутові розміри (для РВОР), або логічного значення «1» (для БВОР) свідчить про обмеження переміщення на відстань або поворот на кут деталі ai відносно деталі aj в напрямку t, тобто відношення виконано - . Наявність значення, що перевищує 14-й квалітет допуску на лінійні або кутові розміри (для РВОР) або логічного значення «0» (для БВОР) свідчить про відсутність обмеження, тобто про виконання інверсного до попереднього відношення - .

При використанні графів для опису ВОР:

наявність дуги від вершини ai до вершини aj, (для РВОР дуга додатково навантажується інформацією про величину можливого переміщення) свідчить про виконання відношення

;

наявність ребра свідчить про виконання відношення

;

відсутність дуги або ребра свідчить про виконання відношення

.

Аналіз РВОР і БВОР для пари деталей виявив суттєву властивість ВОР для пари деталей - інвертування індексів деталей і знаку координатного напрямку призводить до початкового результату у відношеннях, тобто ВОР для додатного і від`ємного напрямку обмежень вздовж певного координатного напрямку t  T, T = {X,Y,Z,…} є інверсними по відношенню до індексів деталей.

Функцію FG доцільно представити сукупністю трьох складових:

- початкова, який формується для початкового стану СВ;

- віртуальна, який формується для можливого переміщення деталі ai в напрямку t  T;

- забезпечення цілісності, який визначає специфічну властивість - наявність або відсутність з`єднання, що забезпечує цілісність (ЗЗЦ) між деталями.

Зміст початкових БВОР визначається правилом:

Зміст віртуальних БВОР визначається правилом:

Зміст БВОР, що забезпечують цілісність визначається правилом:

Властивість приналежності з`єднання двох деталей до ЗЗЦ слугує основною ознакою для технологічної декомпозиції СВ та аналізу. Зміст функції FG, що описується комбінацією бітових значень на трьох підрівнях визначає всі можливі варіанти геометричної взаємодії деталей у СВ. Таких варіантів є вісім.

Відсутність обмеження () - означає, що в початковому положенні в напрямку t для деталі aj не існує обмеження з боку деталі ai, і можливе переміщення деталі aj в межах габаритів СВ не викликає появу для неї обмеження з боку деталі ai, а також, що ai,aj не утворюють ЗЗЦ.

Обмеження, що зникає () - означає, що в початковому положенні в напрямку t для деталі aj існує обмеження з боку деталі ai, проте застосуванням складних або комплексних рухів, або спеціальних дій таке обмеження можна зняти без фізичного руйнування деталей, а також, що ai,aj не утворюють ЗЗЦ (наприклад, є кінематичною парою).

Обмеження, що виникає () - означає, що в початковому положенні в напрямку t для деталі aj не існує обмеження з боку деталі ai, проте спроба перемісти деталь aj в даному напрямку в межах габариту СВ призводить до виникнення обмеження з боку деталі ai, а також, що ai,aj не утворюють ЗЗЦ.

Обмеження, що не зникає () - означає, що в початковому положенні в напрямку t існує обмеження для деталі aj з боку деталі ai, і «зруйнувати» це обмеження без фізичного руйнування однієї з деталей неможливо, а також, що ai,aj не утворюють ЗЗЦ.

Необмежене ЗЗЦ, яке можна «зруйнувати» () - означає, що в початковому положенні в напрямку t деталі aj не існує обмеження з боку деталі ai, і при можливому переміщенні з боку деталі ai не виникає обмеження, а також, що ai,aj утворюють ЗЗЦ, наприклад, пресове, клейове з`єднання.

Обмежене ЗЗЦ, яке можна «зруйнувати» () - означає, що для ЗЗЦ між ai,aj в початковому положення в напрямку t для деталі aj існує обмеження з боку деталі ai, проте застосуванням складних або комплексних рухів або спеціальних дій таке обмеження можна зняти без фізичного руйнування деталей.

Необмежене ЗЗЦ, яке не можна «зруйнувати» () - означає, що для ЗЗЦ між ai,aj в початковому положенні в напрямку t не існує обмеження, проте при спробі перемісти деталь aj в даному напрямку в межах габариту СВ обмеження виникне.

Обмежене ЗЗЦ, яке не можна «зруйнувати» () - означає, що для ЗЗЦ між ai,aj в напрямку t, в початковому положенні існує обмеження в переміщенні деталі aj з боку деталі ai, і «зруйнувати» це обмеження без фізичного руйнування однієї з деталей неможливо.

Широко відомі класифікації типів з`єднань передбачають їх поділ на рознімні (різьбові, клинові, штифтові, шпонкові, шліцьові, стопорні) та нерознімні (з натягом, вальцьовані, клепані, зварні, паяні, клеєні) і враховують конструктивне виконання, а не фізичний принцип реалізації з`єднання, від якого безпосередньо залежить вибір технологічного обладнання.

Пропонується нова класифікація ЗЗЦ (рис. 4):

за фізичним принципом дії, який призначається конструктором і є властивістю СВ (частина функції FP);

за фізичним (технологічним) принципом реалізації, який призначається технологом і є властивістю виробничого середовища для реалізації з`єднання (частина функції FE).

До з'єднань, що діють за рахунок геометричного замикання (), відносяться різьбові, заклепкові, вальцьовані з'єднання, стопорні шайби з елементами, що відгинаються, внутрішні і зовнішні стопорні кільця, заскочки.

До з'єднань, що діють за рахунок пружних деформацій (), відносяться з`єднання з натягом, які поділяються на циліндричні, в яких натяг унеможливлює переміщення і поворот, і профільні, в яких натяг забезпечує цілісність в осьовому напрямку, а форма профілю унеможливлює поворот.

До з'єднань, що діють за рахунок взаємодії полів (), відносяться з'єднання, в яких незмінне положення однієї деталі відносно іншої забезпечується постійною наявністю поля, наприклад магнітного.

До з'єднань, що діють за рахунок молекулярної взаємодії (), відносяться клейові, зварні, паяні з'єднання, а також з'єднання, отримані спеціальними прийомами, наприклад при пошаровому створенні виробу методами швидкого прототипування, або з використанням мікро- і нанотехнологій.

Для реалізації конкретного фізичного принципу дії з'єднання слід вибрати певний фізичний принцип, від якого, безпосередньо залежить вибір технологічного обладнання. Можливі будь-які комбінації принципу дії з принципом реалізації.

Силовий вплив () реалізується як результат механічної роботи. Пресуванням можна забезпечити наявність сил тертя. Вальцюванням можна отримати пластичні деформації. Прикладанням сил можна реалізувати з'єднання заскочками і стопорними кільцями. Силовою дією можна досягти виникнення і тривалої дії міжмолекулярних сил.

Термічний вплив () реалізується як результат нагрівання або охолоджування однієї або обох деталей з'єднання. Нагріванням з подальшим охолоджуванням можна забезпечити наявність сил тертя в з'єднанні з натягом. Нагріванням можна отримати пластичні деформації однієї з деталей з'єднання. Нагріванням/охолоджуванням можна викликати пружні деформації (ефект пам'яті). Нагріванням можна отримати виникнення міжмолекулярних зв'язків (адгезійні з`єднання, зварні, паяні).

Випромінювання () реалізується направленим потоком енергії (світловою, електромагнітною, звуковою), внаслідок чого між деталями можуть виникати сили тертя, пластичні або пружні деформації, міжмолекулярні зв'язки.

Таким чином математичну модель СВ можна утворити як сукупність відношень множини елементів СВ (А), множини координатних напрямків переміщень елементів (Т), геометричних ВОР (), фізичних принципів дії ЗЗЦ між елементами СВ () та технологічних принципів їх реалізації ():

СВ «Вузол передачі» може бути описаний в матричній формі в двійковому або десятковому вигляді та у вигляді графу БВОР у десятковому вигляді. Представлення графів у двійковому вигляді передбачає створення окремого графу для кожного з розрядів або об`єднання частини моделі за ознакою геометрії, принципу дії або принципу реалізації.

Важливою задачею створення математичної моделі СВ у вигляді БВОР є розробка методів автоматичного формування таких БВОР, оскільки всі витрати на формування БВОР вручну є надзвичайно трудомісткими, а наявність хоча б однієї помилки унеможливить отримання коректних рішень в процесі аналізу.

З 3D моделі СВ без застосування спеціальних методів виявлення інформації можна отримати такі множини інформації:

множину деталей виробу:;

множину елементів будь-якого рівня складання: ;

множину назв елемента виробу : ;

множину параметрів положення і орієнтації систем координат елементів СВ: ;

множину розмірних характеристик елементів СВ: ;

множину фізичних характеристик елементів СВ: ;

множину можливих напрямків складання: .

За допомогою спеціальних дій над математичною моделлю СВ можна отримати такі його конструктивно-технологічні властивості:

Значущі напрямки складання (ЗНС) елементів СВ - напрямки осей вздовж яких виконується складання елементів СВ;

З`єднання, що забезпечують цілісність (ЗЗЦ);

Технологічні групи (ТГ) елементів СВ - групи елементів виробу однієї номенклатури, які можна встановити чи видалити одночасно в одному напрямку вздовж одного ЗНС.

Для формалізованого формування ТГ виявлені такі властивості елементів, що їм належать:

Деталі повинні входити до однієї монтажної групи, тобто {Ep,...,Eq}Gi;

Деталі повинні бути однієї номенклатури;

Початкові точки систем координат деталей повинні мати однакові координати по осі, яка представляє ЗНС цієї ТГ, тобто:

Деталі повинні мати однакові контактні БВОР

- або з однією деталлю виробу, яка не входить до жодної ТГ, тобто:

- або із деталями іншої ТГ, тобто:



Деталі принаймні однієї ТГ повинні утворювати ЗЗЦ або з однією деталлю СВ, що не входить до жодної ТГ, або з відповідними деталями іншої ТГ.

Для ефективного виявлення ВОР між елементами СВ розроблені нові методи їх формування з 3D моделі.

Суть методу ітераційних переміщень полягає у програмному переміщенні в середовищі CAD кожного елемента вздовж ЗНС і перевірка наявності області перетину з іншими елементами множини . Наявність такої області незалежно від її форми після кроку в межах 14-го квалітету поля допуску - свідчить про наявність контактного обмеження; в межах габаритів СВ - про наявність віддаленого обмеження, відсутність області перетину - про відсутність ВОР.

Суть методу побудови допоміжних елементів полягає у визначенні контурів деталей, між якими аналізується ВОР, в площині, яка є перпендикулярною одному із ЗНС із наступним аналізом області перетину цих двох контурів. Наявність непустої області перетину контурів свідчить про наявність обмеження, відсутність області перетину - про відсутність обмеження.

Представлення СВ, як ієрархічної структури, що складається з множини елементів, між якими існують ВОР, які можна описати сукупністю функцій геометричних ВОР на трьох рівнях (початковому, віртуальному, забезпечення цілісності), фізичних принципів функціонування і технологічних принципів реалізації ЗЗЦ, разом із формалізованими правилами їх формування, вперше дозволило отримати математичну модель СВ, придатну для аналізу конструкції та синтезу технології складання, зокрема, для виявлення ЗНС і ТГ.

В четвертому розділі представлені математичні моделі опису всіх типів ЗЗЦ. Увага до таких з`єднань пояснюється багатьма причинами. По-перше, реалізацією ЗЗЦ завжди завершується як складання СВ в цілому, так і елементів нижчого рівня, а самі ЗЗЦ є основою для структурної декомпозиції СВ. По-друге, «руйнування» ЗЗЦ є першим кроком аналізу СВ для виявлення варіантів послідовностей розкладання з наступним інвертуванням у послідовності складання. По-третє, у виробничому процесі складання не завершивши складання створенням ЗЗЦ не можна переривати процес складання, оскільки така зупинка може призвести до неконтрольованого порушення цілісності та взаємного положення попередньо складених деталей. По-четверте, реалізація ЗЗЦ в процесі складання вимагає спеціалізованого технологічного обладнання, яке безпосередньо залежить від типу ЗЗЦ, в той час, як реалізація інших з`єднань (не ЗЗЦ) вимагає лише механічних маніпулювань з деталями, які залежать лише від геометрії і маси цих деталей.

Різьбові з`єднання віднесені до групи з`єднань, що отримують геометричним замиканням. При визначені функції RG для таких з`єднань враховано кількість деталей, що утворюють з`єднання (дві, три і більше), напрямок різьби (ліва, права, крок різьби). Профіль різьби не впливає на послідовність складання і не враховується.

З`єднання з пластичним деформуванням деталей (заклепкові, вальцьовані, керновані, відгинанням лапок в пластинах і кільцях, шплінтові, фальцьовані, пукльовані, скобами, гофровані) також віднесені групи з`єднань, що отримують геометричним замиканням. При визначені функції RG для таких з`єднань враховано: напрямки доступу (одно-, дво- і багатосторонні), кількості деталей, які беруть участь в створенні деформації (з однієї або більше деталей), за кількістю деталей, з якими з`єднується деформований елемент (одна, дві і більше деталей), кількість ланцюгів, які утворює ЗЗЦ (одно- дво- і багатобічні). Для всіх різновидів з`єднань з пластичним деформуванням записані логічні умови визначення геометричних ВОР, які вони створюють.

Виявлена характерна особливість ЗЗЦ з пружним деформування деталей, яка полягає в їх можливості змінювати форму в процесі складання. Показано, що такі деталі мають три різні форми: у вільному стані (перед складанням) - ВОР не описуються; в пружно-деформованому стані (в процесі складання) - ВОР описуються функцією RG2; в заневолюваному стані (у складанні) - ВОР описуються функцією RG1.

ЗЗЦ, що отримують пружними деформаціями, відрізняються від попередньо описаних ЗЗЦ з пружними деталями, в яких пружність деталей використовується для реалізації геометричного замикання, а не для реалізації ЗЗЦ по фізичній суті. Даний тип ЗЗЦ забезпечує цілісність з`єднання за рахунок того, що невелика зміна розмірів деталі(ей) в пружній зоні деформацій створює зусилля, яке викликає наявність сил тертя в зоні контакту з протилежною деталлю. До такого типу з`єднань відносяться всі з`єднання з натягом, для яких додатково формалізований поділ на: циліндричні, в яких протидія обертанню деталей, так само як і протидія осьовому переміщенню забезпечується за рахунок сил тертя; профільні, в яких сила тертя запобігає тільки осьовому переміщенню.

Для ЗЗЦ, що отримують за рахунок молекулярної взаємодії враховано наявність додаткового середовища, яке в процесі складання змінює свій агрегатний стан та конструктивне виконання зварних, паяних, клейових (адгезійних) ЗЗЦ.

Виявлена характерна особливість ЗЗЦ, що отримують за рахунок взаємодії полів (гравітаційного, електромагнітного), величина якого є достатньою для утримання незмінного положення двох деталей, яка полягає в необов`язковому контакті двох або більшої кількості деталей, які піддаються впливу поля, проте для отримання такого ЗЗЦ обов`язковою умовою є наявність замкненого ланцюга.

Для всіх ЗЗЦ визначені логічні умови опису фізичного принципу дії та технологічного принципу реалізації, що разом із урахуванням через геометричні ВОР специфіки конструктивного виконання дозволяє формалізувати їх опис, алгоритмічно і програмно ідентифікувати їх наявність в математичні моделі СВ.

У п'ятому розділі представлений новий метод зворотного синтезу технологічно доцільних порядків послідовно-паралельного складання. Суть методу полягає в формалізованому виявленні множини порядків розкладання на першому етапі з її конвертацією, після вибору базової деталі, в множину порядків послідовного та/або паралельного складання з урахуванням технологічних вимог. Метод базується на виявлених властивостях СВ, представлених через БВОР і правилах аналізу і синтезу.

Перший етап. Формування множини порядків послідовно-паралельного розкладання.

Крок 1. Руйнування зв'язку між деталями ai і aj СО, що утворюють ЗЗЦ. Це відображається зміною значень елементів mij i mji з 1 на 0 в усіх матрицях , , , і руйнуванням на всіх графах , , відповідних ребер uij.

Першою видаляється та із деталей, що утворює ЗЗЦ, відповідний стовпець або рядок якої для однієї з матриць БВОР стають нульовими після виконання кроку або яка після руйнування ребер uij залишається пов'язаною зі всіма суміжними вершинами хоч би одного графа дугами, що тільки входять або тільки виходять.

Деталь видаляється уздовж того координатного напрямку, матриця БВОР якої містить рядок або стовпець, всі елементи яких є нульовими. Деталь видаляється в додатному напрямку, якщо нульові елементи містить стовпець матриці, та у від`ємному, якщо нульові елементи містить рядок, або координатного напрямку графу БВОР, якому відповідають однонаправлені дуги, інцидентні відповідній вершині.

Крок 2. Видалення, визначеної на 1-му кроці деталі Це приводить до звуження відношення до відношення вигляду , де и .

Деталь (або деталі) СО, якій відповідає «збуджена» вершина підграфа, отримана при виконання кроку 2, видаляється першою з тих, що залишилися. Деталь, якій відповідає ізольована «збуджена» вершина одного з отриманих підграфів, може бути видалена як в додатному, так і від`ємному напрямках.

«Збудженою» вершиною графа вважатимемо вершину, яка в результаті виконання попередніх дій виявляється ізольованою або пов'язаною з іншими вершинами граф однонаправленими дугами. Такій вершині відповідає деталь, БВОР якої після виконання попередніх дій представлені нульовим рядком або стовпцем, або одночасно рядком і стовпцем (ізольована вершина), як мінімум для однієї з матриць.

Крок 3. Повторювання 2-го кроку разів до повного розкладання СВ.

Крок 4. Представлення логічного запису множини варіантів порядків послідовно-паралельного подетального розкладання, що реалізовуються.

Другий етап. Формування множини порядків послідовного і послідовно-паралельного складання, що можуть бути реалізовані.

Крок 5. Формування тільки одного варіанту тільки послідовного подетального розкладання. Для цього вираз, отриманий на 4-му кроці, записується в нормальній кон'юнктивній формі, для чого в початковому виразі прибираємо дужки, а знаки між елементами в дужках міняємо з на .

Очевидно, що порядок, зворотний порядку розкладання, може бути реалізований при складанні. При такій трансформації необхідно виконати такі дії.

А. Інвертувати послідовність , що полягає в оберненні порядку проходження деталей і заміні знаків, що вказують напрям переміщення, на протилежні.

Б. Визначити деталь, що встановлюється при складанні першою (базову деталь) відповідно до наступних правил:

базовою є одна з двох або більше деталей, які видаляються на останньому кроці розкладання;

базовою є та з виділених відповідно до попередньої умови деталей, яка по осях перпендикулярним головній монтажній осі СО знаходиться в максимальному числі контактних БВОР з іншими деталями СО (головною монтажною віссю слід вважати при цьому вісь, у напрямі якої блокується можливий взаємний рух не менше двох деталей ЗЗЦ);

базовою є та з тих, що відповідають двом попереднім умовам деталь, яка має поверхню, по якій СО, що розглядається приєднується до іншої СО.

Крок 6. Формування базового варіанту порядку послідовного подетального складання. Група послідовно розташованих в деталей, кожна з яких приєднується по різних осях, або по будь-якій з них, якщо кожна з двох деталей групи приєднується з протилежних напрямів однієї осі, може складатися в довільному порядку, тоді і тільки тоді, коли жодна з попередніх (раніше встановлених) деталей не перешкоджає установці наступної.

Крок 7. Впорядкування можливих порядків послідовного подетального складання і формування множини варіантів послідовного подетального складання, що реалізовуються.

Незавершеними слід рахувати процеси, в яких чергову приєднувану деталь необхідно впродовж однієї або декількох подальших операцій складання утримувати в необхідному положенні.

За кожною деталлю ai першою повинна встановлюватися та з подальших деталей aj, яка блокує монтажний рух деталі ai.

Крок 8. Визначення часткового (технологічно обґрунтованого) порядку виконання послідовного подетального складання і формування на множині варіантів послідовного подетального складання множини, що можуть бути реалізовані множини домінуючих (технологічно доцільних) варіантів послідовного подетального складання .

Крок 9. Визначення множини домінуючих (технологічно доцільних) варіантів послідовного і послідовно-паралельного подетального складання . Групи деталей у виразі для і сусідні (у довільному порядку) позиції, у виразі для , можна складати паралельно або послідовно в довільному порядку.

Представлений новий метод зворотного синтезу формалізує формування множини послідовностей подетального складання на основі виявленої множини послідовностей розкладання з урахуванням властивості конструкції СВ і ТПС, мінімізує кількість незавершених операцій і представляє для подальшого аналізу кількість варіантів, яка може бути оцінена.

В шостому розділі математичні моделі СВ описані через БВОР розповсюджено на вирішення інших задач підтримки ЖЦВ і отримані результати по таких напрямках: цілеспрямований аналіз СВ щодо його пристосованості до складання; ремонт і технічне обслуговування; синтез структури лінійних складальних розмірних і просторових розмірних ланцюгів.

Задача аналізу СВ щодо його пристосованості до складання в англомовній літературі - DFA (Design For Assembly) є надзвичайно перспективною з точки зору скорочення витрат як на складання самого виробу, так і на інші складові процесу виготовлення. Основними напрямками DFA аналізу на сьогодні є: скорочення кількості деталей шляхом поєднання декількох деталей в одну; спрощення конструкції шляхом заміни з'єднань; підвищення технологічності окремих деталей та всієї конструкції. Специфікою сучасного етапу розвитку закордонних систем є їхня орієнтація на діалог з експертом з DFA аналізу зі швидкою кількісною оцінкою змін в конструкції. Розроблений підхід передбачає вирішення частини задач передати від людини комп`ютеру. До таких задач, вирішення, яких можливо формалізувати і автоматизувати відносяться: формування послідовності складання; доступ інструменту в зону складання; відсутність відносного руху деталей в процесі роботи. Представлена методика DFA аналізу передбачає виявлення «ланцюгів руху», аналіз зміни послідовності складання; аналіз функціональності виробу. Остаточне рішення щодо внесення або невнесення змін у конструкцію приймає людина на основі оцінки собівартості виготовлення виробу в цілому. Практичне застосування розробленої методики дозволило на прикладі СВ «Замок» скоротити кількість деталей (без механізму секрету) з 8-ми до 3-х із збереженням загальної функціональності виробу. На нову конструкцію виробу «Замок» подано заявку на патент України (А № 06887).

Задача виявлення найкоротшої послідовності неповного розкладання СВ є частиною задачі виявлення послідовності розкладання СВ в цілому, проте має чітку мету - дістатись найкоротшим шляхом до наперед відомої деталі, що може бути актуальним при технічному обслуговуванні виробу або ремонті.